Керамика на основе оксида алюминия: материал, который в реальных условиях эксплуатации заводов незаметно превосходит все ожидания

На одном из заводов по производству огнеупоров, с которым я сотрудничал, печная мебель становилась постоянной головной болью. Кордиеритовые полки трескались примерно через 40–50 циклов нагрева от 1250 °C до комнатной температуры, что вынуждало проводить внеплановые остановки каждые шесть–восемь недель. Производственная команда пробовала муллит и даже некоторые прототипы из карбида кремния, но ни один из материалов не обеспечивал стабильного срока службы без заоблачного роста затрат. В конце концов мы заменили критически важные установочные пластины и лотки на изделия из глиноземной керамики 95 %. Уже в течение первого года средний срок службы вырос до более чем 180 циклов, а количество аварийных остановок печи сократилось более чем наполовину. Эта единственная замена материала окупилась в течение девяти месяцев, если учесть сокращение простоев и снижение частоты замены.

Керамика на основе оксида алюминия представляет собой, по сути, спеченный оксид алюминия, содержание которого, как правило, составляет 92–99,5 % Al₂O₃. Чем выше степень чистоты, тем лучше высокотемпературная прочность, электроизоляционные свойства и износостойкость, однако при этом требуется более высокая температура спекания. Стандартные марки изготавливаются методом сухого прессования, изостатического прессования или экструзии, после чего обжигаются при температуре 1500–1700 °C. Для наиболее требовательных областей применения горячее изостатическое прессование (HIP) или литье из шликера с последующей механической обработкой заготовок позволяют получать детали, близкие к конечной форме, с очень низкой пористостью.

Глазурный корд выделяется сочетанием свойств, позволяющих ему выдерживать суровые условия эксплуатации. Его твердость составляет около 9 по шкале Мооса, теплопроводность является весьма высокой для керамики (20–30 Вт/м·К в зависимости от степени чистоты), а прочность на изгиб сохраняется даже при температурах значительно выше 1200 °C. Кроме того, он обладает лучшей, чем у многих оксидных керамик, стойкостью к воздействию большинства кислот, щелочей и расплавленных металлов. Эти характеристики объясняют, почему оксид алюминия используется в качестве измельчающих тел, печной арматуры, уплотнений насосов, защитных трубок термопар, электрических изоляторов и износостойких футеровок.

Данные о производительности в режиме «Side-by-Side», полученные в реальных условиях эксплуатации

Через несколько лет на другом производственном объекте мы провели контролируемое сравнение шариков из глинозема % с содержанием оксида алюминия 92 % и 99 % в одной и той же мокрой шаровой мельнице при переработке керамической массы с высоким содержанием кремнезема. В обеих загрузках использовались шарики одинакового размера и одинаковая скорость вращения мельницы. После 2 000 часов работы мы зафиксировали следующие результаты:

• 92 шарики из оксида алюминия %: средняя скорость износа — 0,018 % в час по массе. Содержание железа в шликере возросло до 0,035 % после 1 500 часов. Шероховатость поверхности шариков заметно увеличилась, что привело к снижению эффективности измельчения в течение последних 500 часов.
• 99 шариков из оксида алюминия %: средняя скорость износа — 0,007 % в час. Уровень поступления железа оставался ниже 0,008 %. Шарики дольше сохраняли гладкость поверхности, что позволило нам поддерживать заданное распределение частиц по размерам при сокращении общего времени измельчения на 12 %.

Шары более высокой чистоты изначально стоили примерно на 35 % дороже, но благодаря тому, что расход абразивного материала сократился более чем вдвое и нам удалось исключить дополнительный этап магнитной сепарации на последующем этапе технологического процесса, общая себестоимость одной тонны готовой суспензии при использовании шаров марки 99 % оказалась на 22 % ниже.

Аналогичные тенденции мы наблюдали и в отношении печной арматуры. В печи для обжига фарфоровой плитки с быстрым обжигом, работающей в циклах при температуре 1 220 °C, 95 глиноземных матов % продемонстрировали среднюю потерю веса в 0,8 % после 150 циклов, в то время как сопоставимые кордиеритовые маты потеряли 3,4 % и начали провисать. Алюминиевые маты также более равномерно передавали тепло, что снизило перепад температур в загрузке примерно на 15 °C и улучшило стабильность обжига.

Практический опыт, полученный в ходе длительного использования

Не во всех случаях требуется максимальная чистота. Для многих изнашиваемых деталей и стандартной печной арматуры глинозем % с чистотой 92–95 обеспечивает оптимальный баланс между эксплуатационными характеристиками и стоимостью. При температурах выше 1 400 °C в восстановительной атмосфере или в случаях, когда требуется чрезвычайная стойкость к термическим ударам, иногда возникает необходимость в использовании корунда, упрочненного цирконием, или других композитных материалов. Кордун также является хрупким материалом; удар упавшего стального инструмента или постороннего металла в мельнице может привести к сколам, поэтому крайне важно соблюдать чистоту в производственных помещениях и надлежащие процедуры загрузки.

Как показывает опыт, наибольший эффект достигается тогда, когда команды перестают рассматривать глиноземную керамику как прямую замену существующих материалов и вместо этого перепроектируют систему опоры с учетом преимуществ этого материала. Благодаря более высокой прочности в горячем состоянии часто удается использовать более тонкие секции, что снижает тепловую массу и сокращает время нагрева и охлаждения. Правильная компоновка печной мебели, позволяющая избежать точечных нагрузок и обеспечить равномерное расширение, также значительно продлевает срок службы.

Керамика на основе оксида алюминия никогда не станет самым дешёвым вариантом на рынке, но в условиях, когда простои, загрязнение или частая замена обходятся в реальные затраты, она по-прежнему обеспечивает ощутимую отдачу. Предприятия, которые отслеживают фактический срок службы, темпы износа и последующие последствия, а не только покупную цену, — именно они снова и снова обращаются к глиноземной керамике для выполнения самых важных задач. При благоприятных условиях это по-прежнему один из самых надежных материалов, позволяющих обеспечить бесперебойную работу высокотемпературных и изнашивающих процессов год за годом.